CN101082507A - 利用时栅位移传感器实现数控转台角位移预测测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种利用时栅位移传感器实现数控转台角位移预测测量的方法。在时栅和数控系统之间增加一个智能接口单元，智能接口单元的输入为时栅测量的绝对角度值，输出为能与通用数控系统接口的增量式脉冲信号；该智能接口单元根据时栅当前和过去的一些离散的绝对角度测量值，对未来一段时间内时栅的角位移值进行预测，然后按时间序列生成代表预测角度值的增量式连续脉冲信号，并根据当前的实际测量角度值修正前一时间段的预测误差值，实现数控转台角位移的预测测量。本发明用于将时栅为代表的定时采样位移传感器用于数控转台等数控分度类功能部件全闭环位置反馈。

Description

利用时栅位移传感器实现数控转台角位移预测测量的方法

技术领域

本发明涉及一种位移传感器预测测量的新方法，可将以时栅为代表的定时采样位移传感器用于数控转台等数控分度类功能部件全闭环位置反馈。

背景技术

时栅传感器是一种新发明的位移传感器，利用时间测量空间位置，属静态绝对式测量传感器。基于静态测量原理设计的时栅，由于测量周期(即采样周期)的存在，在某段时间内会存在测量盲区，无新测量结果输出。而数控系统在进行全闭环伺服控制时，采用硬件定时中断方式采样位置反馈信息，时栅和数控系统定时周期不一致，并且时栅和数控系统分别采用各自独立的时钟系统，两套时钟系统也不同步。因此，目前时栅无法应用于动态连续位置反馈。

发明内容

为了将时栅用于数控转台等数控分度类功能部件全闭环位置反馈，实现高精度位置伺服控制，本发明提供一种利用时栅位移传感器实现数控转台角位移预测测量的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在时栅和数控(CNC)系统之间增加一个智能接口单元，智能接口单元的输入为时栅测量的绝对角度值，输出为能与通用数控系统接口的增量式脉冲信号，该智能接口单元根据时栅当前和过去的一些离散的绝对角度测量值，对未来一段时间内时栅的角位移值进行预测，然后按时间序列生成代表预测角位移值的增量式连续脉冲信号，并根据当前的实际测量角度值修正前一时间段的预测误差值，实现数控转台角位移的预测测量。

具体实现过程如下：

①时栅每隔时间T采样一次得到数控转台当前的绝对角度值，假设时栅在T_n-1时刻采样得到一个实际测量角度值θ_n-1(绝对角度值)，如图1所示。利用自回归模型对前面N个时刻的时栅实际测量角度值进行建模，得到从T_n-1时刻至T_n时刻数控转台的最优线性预测角位移值，并对上一个测量周期内(从T_n-2时刻至T_n-1时刻)的预测误差值进行修正，预测与修正算法表达式为：

其中，Δθ_i′为从T_n-1时刻到t_i时刻的预测角位移值(增量值)，如图2所示；θ_k代表T_k时刻的时栅实际测量角度值(绝对角度值)；_k是惯性系数，要求满足条件 和_k≤_k+1；θ_n-1′为T_n-1时刻的预测角度值(绝对角度值)，其计算表达式为：

(θ_n-1′-θ_n-1)代表T_n-1时刻的预测误差值即预测角度值与实际测量角度值之差；Δt_i＝t_i-T_n-1(0＜Δt_i≤T)。

②根据式(1)计算得到的预测角位移值，智能接口单元内部采用晶体振荡器为时钟基准，按时间序列在下一个测量周期内(从T_n-1时刻至T_n时刻)均匀地发出代表角位移Δθ_i′的增量式脉冲信号，脉冲当量为1角秒/脉冲。

时栅、智能接口和CNC系统按上述过程循环工作，构成全闭环位置伺服系统。预测与修正方法示意图如图3所示。

本技术方案可总结为：根据离散测量值，按时间序列生成连续空间位置信号，并实时修正。

本发明的有益效果是，通过设计一个智能接口，利用软件对未来一段时间的位移量进行预测，预测值以增量脉冲信号形式输出，可以将时栅用于数控转台等数控分度类功能部件全闭环位置反馈，所需硬件较少，功能主要由软件实现。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的技术方案工作示意图。

图2是时栅位置反馈工作时序图。

图3是预测与修正方法示意框图。

图4是本发明的一种具体实现方式的结构框图。

图5是ARM处理器中断服务程序流程图。

具体实施方式

以下结合具体的硬件和软件说明本发明方法的实现：

参见图4，时栅采用数字信号处理器DSP(U1)处理数据，其具体型号为TMS320VC33。U1的/STRB和PAGE3端通过或门U31，U31的输出端接入或非门U32的一个输入端，U32的另一个输入端接U1的AO端，U32的输出端分两路分别接入U1的EINT3端和锁存器U33的LOCK端。U33的32根数据输入线D31～D0依次与U1的32根数据线D31～D0相连，U33的32根数据输出线O31～O0分别与两片16位三态总线缓冲器(U34和U35)的数据输入线D15～D0相连，U34和U35的数据输出线O15～O0均接ARM处理器LPC2138(U2)的P0.17～P0.2端。U34的输出使能端/En和U35的输出使能端/En分别与U2的P1.17和P1.16端相连。U31、U32、U33、U34和U35集成在一块可编程逻辑芯片CycloneII(U3)内部。

下面以取N＝7为例详细说明本发明的实现过程。时栅每隔一个测量周期得到一个实际测量角度值θ_k，通过U1的D31～D0端输出，具体输出格式为：D31～D16端输出度值，D15～D8端输出分值，D7～D0端输出秒值。同时采用一条DSP的写操作指令控制U1的/STRB、/PAGE3和A0端的状态，产生一个正脉冲，在脉冲的上升沿将U1的D31～D0输出的角度值锁存到U33的O31～O0端，在脉冲的下降沿触发U2中断。在ARM处理器主程序中，通过中断响应方式设置指令将U2响应中断的方式设置为脉冲下降沿触发，并赋采样次数k初值为0。如图5所示，在ARM处理器中断服务程序中，U2首先利用位操作指令控制P1.16和P1.17端状态分两次从P0.17～P0.2端读入32位的θ_k值，后将θ_k值存储在U2内部自带的数据存储器中，并将k值增加1，当k≤6时，ARM处理器中断服务程序只读取和存储θ_k值，不做其它操作。这样U2响应7次中断后采集得到θ₀，θ₁，θ₂，...，θ₆等7个数据。在U2第8次响应中断服务程序后，首先以前述同样方式读取和存储T₇时刻的时栅实际测量角度值θ₇值，准增加1后这时k＝7，满足条件k＞6，U2中断服务程序转向执行利用式(1)计算从T₇时刻至t_i时刻预测角位移值Δθ_i′，参见图5。取_k＝1/7，T＝1000μs，θ₇′＝θ₇，则式(1)可写为：

$\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\θ}}_i}^{\′}\frac{\underset{k=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{7}({\mathrm{\θ}}_k-{\mathrm{\θ}}_{k-1})-({{\mathrm{\θ}}_7}^{\′}-{\mathrm{\θ}}_7)}{1000}\mathrm{\Δ}{t}_i,---\left(3\right)$

根据式(3)计算得到从T₇时刻至t_i时刻的预测角位移Δθ_i′，式中0＜Δt_i≤1000，i＝1，2，...，1000，然后采用脉宽调制方式(PWM方式)连续输出代表Δθ_i′角度的脉冲信号，脉冲当量为1角秒/脉冲。如果角度值逐渐增大，从U2的PWM1端输出脉冲信号；如果角度值逐渐减小，则从U2的PWM2端输出脉冲信号。在绝对角度值为零时，从U2的P0.31端输出一个零位信号。

在U2第9次响应中断服务程序后，首先还是以前述同样方式读取和存储T₈时刻的时栅实际测量角度值θ₈值，然后利用式(2)计算T₈时刻的预测角度值θ₈′，具体计算表达式为：

${{\mathrm{\θ}}_8}^{\′}=\underset{k=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{7}({\mathrm{\θ}}_k-{\mathrm{\θ}}_{k-1})-{{\mathrm{\θ}}_7}^{\′}+2{\mathrm{\θ}}_7,---\left(4\right)$

再利用式(1)计算从T₈时刻至t_i时刻预测角位移值Δθ_i，具体计算表达式为

$\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\θ}}_i}^{\′}=\frac{\underset{k=2}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{7}({\mathrm{\θ}}_k-{\mathrm{\θ}}_{k-1})-({{\mathrm{\θ}}_8}^{\′}-{\mathrm{\θ}}_8)}{1000}\mathrm{\Δ}{t}_i,---\left(5\right)$

最后同样地采用PWM方式连续输出代表角位移Δθ_i′的脉冲信号。

ARM处理器U2以后每次中断，均按上述第9次响应中断同样的流程工作。

Claims (3)

1.一种利用时栅位移传感器实现数控转台角位移预测测量的方法，其特征在于：在时栅和数控系统之间增加一个智能接口单元，智能接口单元的输入为时栅测量的绝对角度值，输出为能与通用数控系统接口的增量式脉冲信号；该智能接口单元根据时栅当前和过去的一些离散的绝对角度测量值，对未来一段时间内时栅的角位移值进行预测，然后按时间序列生成代表预测角度值的增量式连续脉冲信号，并根据当前的实际测量角度值修正前一时间段的预测误差值，实现数控转台角位移的预测测量。

2、根据权利要求1所述的利用时栅位移传感器实现数控转台角位移预测测量的方法，其特征在于预测测量步骤如下：

①时栅每隔时间T采样一次得到数控转台当前的绝对角度值，设时栅在T_n-1时刻采样得到一个实际测量角度值θ_n-1即一个绝对角度值，智能接口单元利用自回归模型对前面N个时刻的时栅实际测量角度值进行建模，得到从T_n-1时刻至T_n时刻数控转台的最优线性预测角位移值，并对上一个测量周期内，即从T_n-2时刻至T_n-1时刻，的预测误差值进行修正，预测与修正算法表达式为：

其中，Δθ_i′为从T_n-1时刻到t_i时刻的预测角位移值，即增量值；θ_k代表T_k时刻的时栅实际测量角度值，即绝对角度值；_k是惯性系数，要求满足条件 和_k≤_k+1；θ_n-1′为T_n-1时刻的预测角度值，即绝对角度值，其计算表达式为：

(θ_n-1′-θ_n-1)代表T_n-1时刻的预测误差值即预测角度值与实际测量角度值之差；Δt_i＝t_i-T_n-1(0＜Δt_i≤T)；

②根据式(1)计算得到的预测角度值，智能接口单元内部采用晶体振荡器为时钟基准，按时间序列在下一个测量周期内，即从T_n-1时刻至T_n时刻，均匀地发出代表角度θ_i′的增量式脉冲信号给数控系统，脉冲当量为1角秒/脉冲；

时栅、智能接口单元和数控系统按上述过程循环工作，构成全闭环位置伺服系统。

3、根据权利要求1或2所述的利用时栅位移传感器实现数控转台角位移预测测量的方法，其特征在于：智能接口单元由微处理器软件完成预测与修正算法，采用硬件脉宽调制方式输出增量式脉冲信号。

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